正点原子STM32F4/F7水星开发板资料连载第五十四章 串口 IAP 实验

1）实验平台：正点原子水星 STM32F4/F7 开发板
2）摘自《STM32F7 开发指南(HAL 库版)》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子
3）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-13912-1-1.html


第五十四章 串口 IAP 实验
IAP，即在应用编程。很多单片机都支持这个功能，STM32F767 也不例外。在之前的 FLASH
模拟 EEPROM 实验里面，我们学习了 STM32F767 的 FLASH 自编程，本章我们将结合 FLASH
自编程的知识，通过 STM32F767 的串口实现一个简单的 IAP 功能本章分为如下几个部：
54.1 IAP 简介
54.2 硬件设计
54.3 软件设计
54.4 下载验证
54.1 IAP 简介
IAP（In Application Programming）即在应用编程，IAP 是用户自己的程序在运行过程中对
User Flash 的部分区域进行烧写，目的是为了在产品发布后可以方便地通过预留的通信口对产
品中的固件程序进行更新升级。
通常实现 IAP 功能时，即用户程序运行中作自身的更新操作，
需要在设计固件程序时编写两个项目代码，第一个项目程序不执行正常的功能操作，而只是通
过某种通信方式(如 USB、USART)接收程序或数据，执行对第二部分代码的更新；第二个项目
代码才是真正的功能代码。这两部分项目代码都同时烧录在 User Flash 中，当芯片上电后，首
先是第一个项目代码开始运行，它作如下操作：
1）检查是否需要对第二部分代码进行更新
2）如果不需要更新则转到 4）
3）执行更新操作
4）跳转到第二部分代码执行
第一部分代码必须通过其它手段，如 JTAG 或 ISP 烧入；第二部分代码可以使用第一部分
代码 IAP 功能烧入，也可以和第一部分代码一起烧入，以后需要程序更新时再通过第一部分 IAP
代码更新。
我们将第一个项目代码称之为 Bootloader 程序，第二个项目代码称之为 APP 程序，他们存
放在 STM32F767 FLASH 的不同地址范围，一般从最低地址区开始存放 Bootloader，紧跟其后
的就是 APP 程序（注意，如果 FLASH 容量足够，是可以设计很多 APP 程序的，本章我们只讨
论一个 APP 程序的情况）。这样我们就是要实现 2 个程序：Bootloader 和 APP。
STM32F7 的 APP 程序不仅可以放到 FLASH 里面运行，也可以放到 SRAM 里面运行，本
章，我们将制作两个 APP，一个用于 FLASH 运行，一个用于内部 SRAM 运行。
STM32F7 的 FLASH 可以映射到两个地址：
0X0020 0000 或 0X0800 0000，我们仅以 0X0800
0000 为例进行介绍。STM32F7 正常的程序运行流程，如图 54.1.1 所示：


图 54.1.1 STM32F767 正常运行流程图
STM32F7的FLASH可以映射到两个地址，本章以映射到0X0800 0000为例，
一般情况下，
程序文件就从此地址开始写入。此外 STM32F767 是基于 Cortex-M7 内核的微控制器，其内部
通过一张“中断向量表”来响应中断，程序启动后，将首先从“中断向量表”取出复位中断向
量执行复位中断程序完成启动，而这张“中断向量表”的起始地址是 0x08000004，当中断来临，
STM32F767 的内部硬件机制亦会自动将 PC 指针定位到“中断向量表”处，并根据中断源取出
对应的中断向量执行中断服务程序。
在图 54.1.1 中，STM32F767 在复位后，先从 0X08000004 地址取出复位中断向量的地址，
并跳转到复位中断服务程序，如图标号①所示；在复位中断服务程序执行完之后，会跳转到我
们的 main 函数，如图标号②所示；而我们的 main 函数一般都是一个死循环，在 main 函数执行
过程中，如果收到中断请求（发生了中断），此时 STM32F767 强制将 PC 指针指回中断向量表
处，如图标号③所示；然后，根据中断源进入相应的中断服务程序，如图标号④所示；在执行
完中断服务程序以后，程序再次返回 main 函数执行，如图标号⑤所示。
当加入 IAP 程序之后，程序运行流程如图 54.1.2 所示：


图 54.1.2 加入 IAP 之后程序运行流程图
在图 54.1.2 所示流程中，STM32F767 复位后，还是从 0X08000004 地址取出复位中断向量
的地址，并跳转到复位中断服务程序，在运行完复位中断服务程序之后跳转到 IAP 的 main 函
数，如图标号①所示，此部分同图 60.1.1 一样；在执行完 IAP 以后（即将新的 APP 代码写入
STM32F767 的 FLASH，灰底部分。新程序的复位中断向量起始地址为 0X08000004+N+M），跳
转至新写入程序的复位向量表，取出新程序的复位中断向量的地址，并跳转执行新程序的复位
中断服务程序，随后跳转至新程序的 main 函数，如图标号②和③所示，同样 main 函数为一个
死循环，并且注意到此时 STM32F767 的 FLASH，在不同位置上，共有两个中断向量表。
在 main 函数执行过程中，如果 CPU 得到一个中断请求，PC 指针仍强制跳转到地址
0X08000004 中断向量表处，而不是新程序的中断向量表，如图标号④所示；程序再根据我们设
置的中断向量表偏移量，跳转到对应中断源新的中断服务程序中，如图标号⑤所示；在执行完
中断服务程序后，程序返回 main 函数继续运行，如图标号⑥所示。
通过以上两个过程的分析，我们知道 IAP 程序必须满足两个要求：
1） 新程序必须在 IAP 程序之后的某个偏移量为 x 的地址开始；
2） 必须将新程序的中断向量表相应的移动，移动的偏移量为 x；
3） 本章，我们有 2 个 APP 程序，一个为 FLASH 的 APP，另外一个位 SRAM 的 APP，图 60.1.2
虽然是针对 FLASH APP 来说的，但是在 SRAM 里面运行的过程和 FLASH 基本一致，只
是需要设置向量表的地址为 SRAM 的地址。
1.APP 程序起始地址设置方法
随便打开一个之前的实例工程，点击 Options for Target→Target 选项卡，如图 54.1.3 所示：


图 54.1.3 FLASH APP Target 选项卡设置
默认的条件下，图中 IROM1 的起始地址（Start）一般为 0X08000000，大小（Size）为 0X100000，
即从 0X08000000 开始的 1024K 空间为我们的程序存储区。而图中，我们设置起始地址（Start）
为 0X08010000，即偏移量为 0X10000（64K 字节），因而，留给 APP 用的 FLASH 空间（Size）
只有 0X100000-0X10000=0XF0000（960K 字节）大小了。设置好 Start 和 Szie，就完成 APP 程
序的起始地址设置。
这里的 64K 字节，需要大家根据 Bootloader 程序大小进行选择，比如我们本章的 Bootloader
程序为 63K左右，理论上我们只需要确保 APP 起始地址在 Bootloader之后，并且偏移量为 0X200
的倍数即可（相关知识，请参考：http://www.openedv.com/posts/list/392.htm）。这里我们选择 64K
（0X10000）字节，留了一些余量，方便 Bootloader 以后的升级修改。
这是针对 FLASH APP 的起始地址设置，如果是 SRAM APP，那么起始地址设置如图 54.1.4
所示：


图 54.1.4 SRAM APP Target 选项卡设置
这里我们将 IROM1 的起始地址（Start）定义为：0X20021000，大小为 0X50000（320K 字
节），即从地址 0X20020000 偏移 0X1000 开始，存放 APP 代码。因为整个 STM32F767IGT6 的
SRAM 大小（不算 DTCM）为 384K 字节，所以 IRAM1（SRAM）的起始地址变为 0X20071000，
大小只有 0XF000（60K 字节）。这样，整个 STM32F767IGT6 的 SRAM（不含 DTCM）分配情
况为：最开始的 4K 给 Bootloader 程序使用，随后的 320K 存放 APP 程序，最后 60K，用作 APP
程序的内存。这个分配关系大家可以根据自己的实际情况修改，不一定和我们这里的设置一模
一样，不过也需要注意，保证偏移量为 0X200 的倍数（我们这里为 0X1000）。
2.中断向量表的偏移量设置方法
之前我们讲解过，在系统启动的时候，会首先调用 SystemInit 函数初始化时钟系统，同时
SystemInit 还完成了中断向量表的设置，我们可以打开 SystemInit 函数，看看函数体的结尾处有
这样几行代码：
#ifdef VECT_TAB_SRAMSCB->VTOR = RAMDTCM_BASE | VECT_TAB_OFFSET;/* Vector Table Relocation in Internal SRAM. */#elseSCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET;/* Vector Table Relocation in Internal FLASH. */#endif从 代 码 可 以 理 解 ， VTOR 寄 存 器 存 放 的 是 中 断 向 量 表 的 起 始 地 址 。 默 认 的 情 况
VECT_TAB_SRAM 是没有定义,所以执行 SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET;
对于 FLASH APP，我们设置为 FLASH_BASE+偏移量 0x10000,所以我们可以在 SystemInit 函数
里面修改 SCB->VTOR 的值。当然为了尽可能不修改系统级别文件，我们可以也可以在 FLASH
APP 的 main 函数最开头处添加如下代码实现中断向量表的起始地址的重设：
SCB->VTOR = FLASH_BASE | 0x10000;
以上是 FLASH APP 的情况，当使用 SRAM APP 的时候，我们设置起始地址为：
SRAM_BASE+0x1000,同样的方法，我们在 SRAM APP 的 main 函数最开始处，添加下面代码：
SCB->VTOR = SRAM1_BASE | 0x1000;
这样，我们就完成了中断向量表偏移量的设置。
大小不超过我们的设置即可。不过 MDK 默认生成的文件是.hex 文件，并不方便我们用作 IAP
更新，我们希望生成的文件是.bin 文件，这样可以方便进行 IAP 升级（至于为什么，请大家自
行百度 HEX 和 BIN 文件的区别！）。这里我们通过 MDK 自带的格式转换工具 fromelf.exe，来实
现.axf 文件到.bin 文件的转换。该工具在 MDK 的安装目录ARMARMCCbin 文件夹里面。
fromelf.exe 转换工具的语法格式为：fromelf [options] input_file。其中 options 有很多选项可
以设置，详细使用请参考光盘《mdk 如何生成 bin 文件.doc》.
本章，我们通过在 MDK 点击 Options for Target→User 选项卡，在 After Build/Rebuild 栏，
勾选 Run #1，并写入：D:toolsMDK5.2ARMARMCCbinfromelf.exe --bin -o ..OBJRTC.bin
..OBJRTC.axf ，如图 54.1.5 所示：


图 54.1.5 MDK 生成.bin 文件设置方法
通过这一步设置，我们就可以在 MDK 编译成功之后，调用 fromelf.exe（注意，我的 MDK
是安装在 D:toolsMDK5.2 文件夹下，如果你是安装在其他目录，请根据你自己的目录修改
fromelf.exe 的路径），根据当前工程的 RTC.axf，生成一个 RTC.bin 的文件。并存放在 axf 文件
相同的目录下，即工程的 OBJ 文件夹里面。在得到.bin 文件之后，我们只需要将这个 bin 文件传送给单片机，即可执行 IAP 升级。
最后再来看看 APP 程序的生成步骤：
1） 设置 APP 程序的起始地址和存储空间大小
对于在 FLASH 里面运行的 APP 程序，我们只需要设置 APP 程序的起始地址，和存储
空间大小即可。而对于在 SRAM 里面运行的 APP 程序，我们还需要设置 SRAM 的起始地
址和大小。无论哪种 APP 程序，都需要确保 APP 程序的大小和所占 SRAM 大小不超过我
们的设置范围。
2） 设置中断向量表偏移量
这一步按照上面讲解，重新设置 SCB->VTOR 的值即可。
3） 设置编译后运行 fromelf.exe，生成.bin 文件.
通过在 User 选项卡，设置编译后调用 fromelf.exe，根据.axf 文件生成.bin 文件，用于
IAP 更新。
以上 3 个步骤，我们就可以得到一个.bin 的 APP 程序，通过 Bootlader 程序即可实现更新。
54.2 硬件设计
本章实验（Bootloader 部分）功能简介：开机的时候先显示提示信息，然后等待串口输入
接收 APP 程序（无校验，一次性接收），在串口接收到 APP 程序之后，即可执行 IAP。如果
是 SRAM APP，通过按下 KEY0 即可执行这个收到的 SRAM APP 程序。如果是 FLASH APP，
则需要先按下 KEY_UP 按键，将串口接收到的 APP 程序存放到 STM32 的内部 FLASH，之后
再按 KEY2 既可以执行这个 FLASH APP 程序。通过 KEY1 按键，可以手动清除串口接收到的
APP 程序。DS0 用于指示程序运行状态。
本实验用到的资源如下：
1） 指示灯 DS0
2） 四个按键（KEY0/KEY1/KEY_UP）
3） TPAD 按键
4） 串口
5） LCD 模块
这些用到的硬件，我们在之前都已经介绍过，这里就不再介绍了。
54.3 软件设计
本章，我们总共需要 3 个程序：1，Bootloader；2，FLASH APP；3）SRAM APP；其中，
我们选择之前做过的 RTC 实验（在第二十章二介绍）来做为 FLASH APP 程序（起始地址为
0X08010000），选择触摸屏实验（在第三十六章介绍）来做 SRAM APP 程序（起始地址为
0X20021000）。Bootloader 则是通过 TFTLCD 显示实验（在第而是章介绍）修改得来。本章，
关于 SRAM APP 和 FLASH APP 的生成比较简单，我们就不细说，请大家结合光盘源码，以及
60.1 节的介绍，自行理解。本章软件设计仅针对 Bootloader 程序。
复制第二十章的工程（即实验 14），作为本章的工程模版（命名为：IAP Bootloader V1.0），
并复制第四十二章实验（FLASH 模拟 EEPROM 实验）的 STMFLASH 文件夹到本工程的
HARDWARE 文件夹下，打开本实验工程，并将 STMFLASH 文件夹内的 stmflash.c 加入到
HARDWARE 组下，同时将 STMFLASH 加入头文件包含路径。
在 HARDWARE 文件夹所在的文件夹下新建一个 IAP 的文件夹，并在该文件夹下新建 iap.c
和 iap.h 两个文件。然后在工程里面新建一个 IAP 的组，将 iap.c 加入到该组下面。最后，将 IAP
文件夹加入头文件包含路径。
打开 iap.c，输入如下代码：
iapfun jump2app;u32 iapbuf[512]; //2K 字节缓存//appxaddr:应用程序的起始地址//appbuf:应用程序 CODE.//appsize:应用程序大小(字节).void iap_write_appbin(u32 appxaddr,u8 *appbuf,u32 appsize){u32 t;u16 i=0;u32 temp;u32 fwaddr=appxaddr;//当前写入的地址u8 *dfu=appbuf;for(t=0;t APP 程序写入到 FLASH。iap_load_app 函数，则用于跳转到 APP 程序运行，其参数 appxaddr
为 APP 程序的起始地址，程序先判断栈顶地址是否合法，在得到合法的栈顶地址后，通过
MSR_MSP 函数（该函数在 sys.c 文件）设置栈顶地址，最后通过一个虚拟的函数（jump2app）
跳转到 APP 程序执行代码，实现 IAP→APP 的跳转。
保存 iap.c，打开 iap.h 输入如下代码：
#ifndef __IAP_H__#define __IAP_H__#include "sys.h"typedef void (*iapfun)(void);//定义一个函数类型的参数.#define FLASH_APP1_ADDR0x08010000//第一个应用程序起始地址(存放在 FLASH)//保留 0X08000000~0X0800FFFF 的空间为 Bootloader 使用(共 64KB)void iap_load_app(u32 appxaddr); //跳转到 APP 程序执行void iap_write_appbin(u32 appxaddr,u8 *appbuf,u32 applen);//在指定地址开始,写入 bin#endif这部分代码比较简单，保存 iap.h。本章，我们是通过串口接收 APP 程序的，我们将 usart.c
和 usart.h 做了稍微修改，在 usart.h 中，我们定义 USART_REC_LEN 为 360K 字节，也就是串
口最大一次可以接收 360K 字节的数据，这也是本 Bootloader 程序所能接收的最大 APP 程序大
小。然后新增一个 USART_RX_CNT 的变量，用于记录接收到的文件大小，而 USART_RX_STA
不再使用。在 usart.c 里面，我们修改 USART1_IRQHandler 部分代码如下：
//串口 1 中断服务程序//注意,读取 USARTx->SR 能避免莫名其妙的错误u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN] __attribute__ ((at(0X20021000)));//接收缓冲,最大 USART_REC_LEN 个字节,起始地址为 0X20021000.//接收状态//bit15， 接收完成标志 bit14，接收到 0x0d//bit13~0，接收到的有效字节数目u16 USART_RX_STA=0;//接收状态标记u32 USART_RX_CNT=0;//接收的字节数//串口 1 中断服务程序void USART1_IRQHandler(void){u8 Res;#if SYSTEM_SUPPORT_OS//使用 OSOSIntEnter();#endifif((__HAL_UART_GET_FLAG(&UART1_Handler,UART_FLAG_RXNE)!=RESET))//接收中断(接收到的数据必须是 0x0d 0x0a 结尾){ HAL_UART_Receive(&UART1_Handler,&Res,1,1000);if(USART_RX_CNT 程序的起始地址！然后在 USART1_IRQHandler 函数里面，将串口发送过来的数据，全部接收
到 USART_RX_BUF，并通过 USART_RX_CNT 计数。代码比较简单，我们就不多说了。
改完 usart.c 和 usart.h 之后，我们在 main.c 修改 main 函数如下：
int main(void){u8 t;u8 key;u32 oldcount=0;//老的串口接收数据值u32 applenth=0;//接收到的 app 代码长度u8 clearflag=0; Cache_Enable(); //打开 L1-Cache HAL_Init(); //初始化 HAL 库 Stm32_Clock_Init(432,25,2,9); //设置时钟,216Mhz…//此处省略部分代码LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"KEY_UP:Copy APP2FLASH");LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"KEY1:Erase SRAM APP");LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"KEY0:Run SRAM APP");LCD_ShowString(30,190,200,16,16,"KEY2:Run FLASH APP");POINT_COLOR=BLUE;//显示提示信息POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色while(1){if(USART_RX_CNT){if(oldcount==USART_RX_CNT)//新周期内,没有收到任何数据,认为本次数据接收完成.{applenth=USART_RX_CNT;oldcount=0;USART_RX_printf("用户程序接收完成!rn");printf("代码长度:%dBytesrn",applenth);}else oldcount=USART_RX_CNT;}t++;delay_ms(10);if(t==30){LED0_Toggle;t=0;if(clearflag){clearflag--;if(clearflag==0)LCD_Fill(30,210,240,210+16,WHITE);//清除显示}}key=KEY_Scan(0);if(key==WKUP_PRES) //WK_UP 按键按下{if(applenth){printf("开始更新固件...rn");LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"Copying APP2FLASH...");if(((*(vu32*)(0x20021000+4))&0xFF000000)==0x08000000)//判断是否为 0X08XXXXXX.{iap_write_appbin(FLASH_APP1_ADDR,USART_RX_BUF,applenth);//更新 FLASH 代码LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"Copy APP Successed!!");printf("固件更新完成!rn");}else{LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"Illegal FLASH APP! ");printf("非 FLASH 应用程序!rn");}}else{printf("没有可以更新的固件!rn");LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"No APP!");}clearflag=7;//标志更新了显示,并且设置 7*300ms 后清除显示}if(key==KEY1_PRES) //KEY1 按下{if(applenth){printf("固件清除完成!rn");LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"APP Erase Successed!");applenth=0;}else{printf("没有可以清除的固件!rn");LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"No APP!");}clearflag=7;//标志更新了显示,并且设置 7*300ms 后清除显示}if(TPAD_Scan(0)) //触摸按键按下{printf("开始执行 FLASH 用户代码!!rn");if(((*(vu32*)(FLASH_APP1_ADDR+4))&0xFF000000)==0x08000000)//判断是否为 0X08XXXXXX.{iap_load_app(FLASH_APP1_ADDR);//执行 FLASH APP 代码}else{printf("非 FLASH 应用程序,无法执行!rn");LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"Illegal FLASH APP!");}clearflag=7;//标志更新了显示,并且设置 7*300ms 后清除显示}if(key==KEY0_PRES) //KEY0 按下{printf("开始执行 SRAM 用户代码!!rn");if(((*(vu32*)(0x20021000+4))&0xFF000000)==0x20000000)//判断是否为 0X20XXXXXX.{iap_load_app(0x20021000);//SRAM 地址}else{printf("非 SRAM 应用程序,无法执行!rn");LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"Illegal SRAM APP!");}clearflag=7;//标志更新了显示,并且设置 7*300ms 后清除显示}}}该段代码，实现了串口数据处理，以及 IAP 更新和跳转等各项操作。Bootloader 程序就设
计完成了，但是一般要求 bootloader 程序越小越好（给 APP 省空间嘛），实际应用时，可以尽
量精简代码来得到最小的 IAP。本章例程我们仅作演示用，所以不对代码做任何精简，最后得
到工程截图如图 54.3.1 所示：


图 54.3.1 Bootloader 工程截图
从上图可以看出，Bootloader 大小为 62K 左右，比较大，主要原因是液晶驱动和 printf 占
用了比较多的 flash，如果大家想删减代码，可以去掉不用的 LCD 部分代码和 printf 等，不过我
们在本章为了演示效果，所以保留了这些代码。至此，本实验的软件设计部分结束。
FLASH APP 和 SRAM APP 两部分代码，根据 60.1 节的介绍，大家自行修改都比较简单，
我们这里就不介绍了，不过要提醒大家：FLASH APP 的起始地址必须是 0X08010000，而 SRAM
APP 的起始地址必须是 0X20021000。
60.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们下载代码到 ALIENTEK 水星 STM32F7 开发板上，得到，如图54.4.1 所示：


图 54.4.1 IAP 程序界面
此时，我们可以通过串口，发送 FLASH APP 或者 SRAM APP 到水星 STM32F7 开发板，
如图 54.4.2 所示：


图 54.4.2 串口发送 APP 程序界面
首先找到开发板 USB 转串口的串口号，打开串口（我电脑是 COM3），然后设置波特率为
115200（图中标号 1 所示），然后，点击打开文件按钮（如图标号 2 所示），找到 APP 程序生成的.bin 文件（注意：文件类型得选择所有文件！！默认是只打开 txt 文件的），最后点击发送文件（图中标号 3 所示），将.bin 文件发送给水星 STM32 开发板，发送完成后，XCOM 会提示文件发送完毕。
开发板在收到 APP 程序之后，我们就可以通过 KEY0/KEY2 运行这个 APP 程序了（如果
是 FLASH APP，则先需要通过 KEY_UP 将其存入对应 FLASH 区域）。